La historia de la química estudia y describe el complejo proceso de acumulación de conocimientos específicos relacionados con el estudio de las propiedades y transformaciones de las sustancias ; puede considerarse como un área fronteriza del conocimiento que conecta los fenómenos y procesos relacionados con el desarrollo de la química con la historia de la sociedad humana.
La historia de la química suele dividirse en varios períodos; Al mismo tiempo, se debe tener en cuenta que esta periodización, siendo más bien condicional y relativa, tiene un significado más bien didáctico [1] . Uno de los fundadores de la historia de la química como disciplina científica fue el científico alemán Hermann Kopp (1817-1892) [2] .
En el período prealquímico, los aspectos teóricos y prácticos del conocimiento sobre la materia se desarrollaron de forma relativamente independiente unos de otros.
Las operaciones prácticas con la sustancia eran prerrogativa de la química artesanal. El inicio de su origen debe estar asociado principalmente, al parecer, con el surgimiento y desarrollo de la metalurgia . En la antigüedad se conocían siete metales en estado puro : cobre , plomo , estaño , hierro , oro , plata y mercurio , y en forma de aleaciones , también arsénico , zinc y bismuto . Además de la metalurgia, la acumulación de conocimientos prácticos se produjo en otras áreas, como la producción de cerámica y vidrio , el teñido de textiles y el curtido de cueros, la fabricación de medicamentos y cosméticos . Fue sobre la base de los éxitos y logros de la química práctica de la antigüedad que tuvo lugar el desarrollo del conocimiento químico en épocas posteriores.
Los intentos de comprender teóricamente el problema del origen de las propiedades de la materia llevaron a la formación de la doctrina de los elementos-elementos en la antigua filosofía natural griega . Las enseñanzas de Empédocles , Platón y Aristóteles tuvieron la mayor influencia en el desarrollo posterior de la ciencia . Según estos conceptos, todas las sustancias están formadas por una combinación de cuatro principios: tierra, agua, aire y fuego. Al mismo tiempo, los elementos mismos son capaces de transformaciones mutuas, ya que cada uno de ellos, según Aristóteles, representa uno de los estados de una sola materia primaria : una cierta combinación de cualidades. La posición sobre la posibilidad de la transformación de un elemento en otro más tarde se convirtió en la base de la idea alquímica de la posibilidad de transformaciones mutuas de metales ( transmutación ). Casi simultáneamente con la doctrina de los elementos-elementos, surgió en Grecia el atomismo , cuyos fundadores fueron Leucipo y Demócrito .
El período alquímico es la época de la búsqueda de la piedra filosofal , que se consideraba necesaria para la realización de la transmutación de los metales. La teoría alquímica, basada en ideas antiguas sobre los cuatro elementos, estaba estrechamente entrelazada con la astrología y el misticismo . Junto con la "fabricación de oro" químico-técnica, esta era también se destaca por la creación de un sistema único de filosofía mística. El período alquímico, a su vez, se divide en tres subperíodos: alejandrino (greco-egipcio), árabe y alquimia europea.
En Alejandría , hubo una combinación de teoría (la filosofía natural de Platón y Aristóteles) y conocimiento práctico sobre las sustancias, sus propiedades y transformaciones; de este compuesto nació una nueva ciencia, la química. La palabra "química" en sí misma (y el árabe al-kīmiyaˀ ) generalmente se considera que se deriva del antiguo nombre de Egipto: Keme o Khem; originalmente, se suponía que la palabra, aparentemente, significaba algo así como "arte egipcio". A veces, el término se deriva del griego χυμος - jugo o χυμενσιζ - fundición [3] [4] [5] [6] . Los principales objetos de estudio de la química alejandrina fueron los metales. En el período de Alejandría, se formó el simbolismo tradicional de metal-planeta de la alquimia, en el que cada uno de los siete metales conocidos en ese momento estaba asociado con el planeta correspondiente : plata - la Luna , mercurio - Mercurio , cobre - Venus , oro - el Sol , hierro - Marte , estaño - Júpiter , plomo - Saturno [7 ] . El dios egipcio Thoth o su homólogo griego Hermes se convirtió en el patrón celestial de la química en Alejandría .
Entre los representantes significativos de la alquimia greco-egipcia, cuyo nombre ha sobrevivido hasta el día de hoy, se pueden señalar Bolos Demokritos , Zosima Panopolit , Olympiodorus . El libro "Física y mística" escrito por Bolos (c. 200 aC) consta de cuatro partes dedicadas al oro, la plata, las piedras preciosas y la púrpura . Bolos expresó por primera vez la idea de la transmutación de los metales: la transformación de un metal en otro (principalmente metales básicos en oro), que se convirtió en la tarea principal de todo el período alquímico. Zosimus en su enciclopedia (siglo III) definió khemeia como el arte de hacer oro y plata, describió "tetrasomata" - las etapas del proceso de hacer oro artificial; señaló especialmente la prohibición de divulgar los secretos de este arte.
También quedaron muchos textos herméticos del período alejandrino, que representan un intento de explicación filosófica y mística de las transformaciones de las sustancias, entre los que se encuentra la famosa " Tabla de esmeralda " de Hermes Trismegistus .
Entre los logros prácticos indudables de los alquimistas greco-egipcios está el descubrimiento del fenómeno de la amalgama de metales . La amalgama de oro comenzó a usarse para dorar. Los científicos alejandrinos mejoraron el método de extracción de oro y plata de los minerales, para lo cual se utilizó ampliamente el mercurio obtenido del cinabrio o el calomelano . Además del significado práctico, la capacidad única del mercurio para formar una amalgama contribuyó al surgimiento de la idea del mercurio como un metal "primario" especial. Los alquimistas también desarrollaron un método para purificar el oro por copelación : calentar el mineral con plomo y salitre [8] .
La base teórica de la alquimia árabe [9] seguía siendo las enseñanzas de Aristóteles. Sin embargo, el desarrollo de la práctica alquímica requirió la creación de una nueva teoría basada en las propiedades químicas de las sustancias. Jabir ibn Hayyan (Geber) a finales del siglo VIII desarrolló una teoría de mercurio-azufre sobre el origen de los metales, según la cual los metales están formados por dos principios: Mercurio (principio de metalicidad) y Azufre (principio de combustibilidad) . Para la formación del oro, un metal perfecto, además de Mercurio y Azufre, es necesaria la presencia de alguna sustancia, que Jabir llamó elixir ( al-iksir , del griego ξεριον, es decir, "seco"). El problema de la transmutación, así, en el marco de la teoría del mercurio y el azufre, se reducía al problema de extraer un elixir, también llamado la piedra filosofal ( Lapis Philosophorum ). Se creía que el elixir tenía muchas más propiedades mágicas: curar todas las enfermedades y, posiblemente, otorgar la inmortalidad [10] [11] .
La teoría del mercurio y el azufre formó la base teórica de la alquimia durante varios siglos posteriores. A principios del siglo X, otro destacado alquimista, Ar-Razi (Razes), mejoró la teoría añadiendo el principio de dureza (fragilidad, solubilidad), o Sal filosófica, al Mercurio y al Azufre.
La alquimia árabe, a diferencia de la alejandrina, era bastante racional; los elementos místicos que contenía eran más bien un tributo a la tradición. Además de la formación de la teoría básica de la alquimia, durante la etapa árabe se desarrolló un aparato conceptual, equipos de laboratorio y métodos experimentales. Los alquimistas árabes lograron un éxito práctico indudable: aislaron antimonio , arsénico y, aparentemente, fósforo , obtuvieron ácido acético y soluciones diluidas de ácidos minerales. Un mérito importante de los alquimistas árabes fue la creación de la farmacia racional , que desarrolló las tradiciones de la medicina antigua.
Los puntos de vista científicos de los árabes penetraron en la Europa medieval en el siglo XIII . Las obras de los alquimistas árabes fueron traducidas al latín , y más tarde a otras lenguas europeas.
Entre los alquimistas más grandes de la escena europea, se pueden señalar a Alberto el Grande , Roger Bacon , Arnaldo de Villanova , Raymond Lull , Basil Valentin . R. Bacon definió la alquimia de la siguiente manera: "La alquimia es la ciencia de cómo preparar una determinada composición, o elixir, que, si se agrega a los metales básicos, los convertirá en metales perfectos" [12] .
En Europa, se introdujeron elementos de la mitología cristiana en la mitología y el simbolismo de la alquimia ( Petrus Bonus , Nicolás Flamel ); en general, para la alquimia europea, los elementos místicos resultaron ser mucho más característicos que para la árabe. El misticismo y el carácter cerrado de la alquimia europea han dado lugar a un número importante de estafadores de la alquimia; ya Dante Alighieri en la " Divina Comedia " colocaba en el décimo foso del octavo círculo del Infierno a los que "forjaban los metales por alquimia" [13] . Un rasgo característico de la alquimia europea fue su posición ambigua en la sociedad. Tanto las autoridades eclesiásticas como las seculares prohibieron repetidamente [14] la práctica de la alquimia; al mismo tiempo, la alquimia floreció tanto en los monasterios como en las cortes reales.
A principios del siglo XIV, la alquimia europea logró sus primeros éxitos significativos, logrando superar a los árabes en la comprensión de las propiedades de la materia. En 1270, el alquimista italiano Buenaventura , en un intento de obtener un solvente universal, obtuvo una solución de amoníaco en ácido nítrico ( aqua fortis ), que resultó ser capaz de disolver el oro, el rey de los metales (de ahí el nombre - aqua regis , es decir, agua regia ). Pseudo-Geber , uno de los alquimistas europeos medievales más importantes, que trabajó en España en el siglo XIV y firmó sus obras con el nombre de Geber , describió en detalle los ácidos minerales concentrados ( sulfúrico y nítrico). El uso de estos ácidos en la práctica alquímica llevó a un aumento significativo en el conocimiento de los alquimistas sobre la sustancia.
A mediados del siglo XIII se inició en Europa la fabricación de pólvora ; el primero en describirlo (a más tardar en 1249 ) fue aparentemente R. Bacon (mencionado a menudo el monje B. Schwartz puede ser considerado el fundador del negocio de la pólvora en Alemania ). El advenimiento de las armas de fuego se convirtió en un fuerte estímulo para el desarrollo de la alquimia y su estrecha interrelación con la química artesanal.
A partir del Renacimiento , en relación con el desarrollo de la producción, la producción y la dirección práctica en general comenzaron a adquirir una importancia creciente en la alquimia: metalurgia, fabricación de cerámica, vidrio y pinturas. En la primera mitad del siglo XVI , surgieron tendencias racionales en la alquimia: la química técnica, cuyo comienzo fue establecido por los trabajos de V. Biringuccio , G. Agricola y B. Palissy , y la iatroquímica , cuyo fundador fue Paracelso .
Biringuccio y Agricola vieron la tarea de la alquimia en encontrar formas de mejorar la tecnología química; en sus escritos, se esforzaron por la descripción más clara, completa y confiable de los datos experimentales y los procesos tecnológicos [15] .
Paracelso argumentó que la tarea de la alquimia es la fabricación de medicamentos [16] ; mientras que la medicina de Paracelso se basaba en la teoría del mercurio-azufre . Creía que en un cuerpo sano, los tres principios -Mercurio, Azufre y Sal- están en equilibrio; la enfermedad representa un desequilibrio entre los principios [17] [18] . Para restaurarlo, Paracelso introdujo en la práctica preparaciones medicinales de origen mineral -compuestos de arsénico, antimonio, plomo, mercurio, etc.- además de las tradicionales preparaciones a base de hierbas.
Los representantes de la iatroquímica (espagiria, como se llamaban a sí mismos los seguidores de Paracelso) incluyen muchos alquimistas famosos de los siglos XVI y XVII : A. Libavia , R. Glauber , Ya. B. Van Helmont , O. Takhenia .
La química técnica y la iatroquímica condujeron directamente a la creación de la química como ciencia; en esta etapa, se acumularon las habilidades del trabajo experimental y las observaciones, en particular, se desarrollaron y mejoraron el diseño de hornos e instrumentos de laboratorio, se desarrollaron y mejoraron los métodos de purificación de sustancias ( cristalización , destilación , etc.), se obtuvieron nuevas preparaciones químicas.
El principal resultado del período alquímico en su conjunto, además de la acumulación de un importante acervo de conocimientos sobre la materia, fue el surgimiento de un enfoque empírico para el estudio de las propiedades de la materia. El período alquímico se convirtió en una etapa de transición absolutamente necesaria entre la filosofía natural y la ciencia natural experimental.
La segunda mitad del siglo XVII estuvo marcada por la primera revolución científica, que resultó en una nueva ciencia natural totalmente basada en datos experimentales. La creación del sistema heliocéntrico del mundo ( N. Copernicus , I. Kepler ), la nueva mecánica ( G. Galileo ), el descubrimiento del vacío y la presión atmosférica ( E. Torricelli , B. Pascal y O. von Guericke ) llevaron a una profunda crisis de la imagen física aristotélica del mundo. F. Bacon planteó la tesis de que el experimento debería ser el argumento decisivo en la discusión científica; Las ideas atomísticas fueron revividas en la filosofía ( R. Descartes , P. Gassendi ).
Una de las consecuencias de esta revolución científica fue la creación de una nueva química, cuyo fundador se considera tradicionalmente R. Boyle . Boyle, habiendo demostrado en su tratado "El químico escéptico " (1661) la inconsistencia de las ideas alquímicas sobre los elementos como portadores de ciertas cualidades, se dio a la tarea de encontrar elementos químicos reales para la química . Los elementos, según Boyle, son cuerpos prácticamente indescomponibles, constituidos por corpúsculos homogéneos similares, de los que se componen todos los cuerpos complejos y en los que se pueden descomponer. Boyle consideraba que la tarea principal de la química era el estudio de la composición de las sustancias y la dependencia de las propiedades de una sustancia de su composición [19] [20] .
La creación de ideas teóricas sobre la composición de los cuerpos que pudieran reemplazar las enseñanzas de Aristóteles y la teoría del mercurio-azufre resultó ser una tarea muy difícil. En el último cuarto del siglo XVII . apareció el llamado. puntos de vista eclécticos, cuyos creadores intentaron vincular las tradiciones alquímicas y las nuevas ideas sobre los elementos químicos ( N. Lemery , I. I. Becher ).
El principal impulsor del desarrollo de la doctrina de los elementos en la primera mitad del siglo XVIII fue la teoría del flogisto , propuesta por el químico alemán G. E. Stahl . Explicó la combustibilidad de los cuerpos por la presencia en ellos de cierto principio material de combustibilidad - flogisto, y consideró la combustión como descomposición [21] . La teoría del flogisto generalizó una amplia gama de hechos relacionados con los procesos de combustión y tostado de metales, sirvió como un poderoso estímulo para el desarrollo de un análisis cuantitativo de cuerpos complejos, sin los cuales sería absolutamente imposible confirmar experimentalmente ideas sobre elementos químicos. . También estimuló el estudio de los productos de la combustión gaseosa en particular y de los gases en general; como resultado, apareció la química neumática , cuyos fundadores fueron J. Black , D. Rutherford , G. Cavendish , J. Priestley y K. V. Scheele [22] .
El proceso de convertir la química en una ciencia culminó con los descubrimientos de A. L. Lavoisier . Con la creación de la teoría de la combustión del oxígeno por él ( 1777 ), comenzó un punto de inflexión en el desarrollo de la química, llamado la "revolución química". El rechazo de la teoría del flogisto requirió una revisión de todos los principios y conceptos básicos de la química, cambios en la terminología y nomenclatura de las sustancias [23] . En 1789, Lavoisier publicó su famoso libro de texto Curso elemental de química, basado completamente en la teoría de la combustión del oxígeno y la nueva nomenclatura química . Dio la primera lista de elementos químicos en la historia de la nueva química (una tabla de cuerpos simples). Eligió la experiencia, y sólo la experiencia, como criterio para determinar el elemento, rechazando categóricamente cualquier razonamiento no empírico sobre átomos y moléculas, cuya existencia misma no puede ser confirmada experimentalmente [24] . Lavoisier formuló la ley de conservación de la masa, creó una clasificación racional de los compuestos químicos basada, en primer lugar, en la diferencia en la composición elemental de los compuestos y, en segundo lugar, en la naturaleza de sus propiedades.
La revolución química finalmente dio a la química la apariencia de una ciencia independiente, que se ocupa del estudio experimental de la composición de los cuerpos; completó el período de formación de la química, marcó una racionalización completa de la química, el rechazo final de las ideas alquímicas sobre la naturaleza de la materia y sus propiedades.
El principal resultado del desarrollo de la química durante el período de las leyes cuantitativas fue su transformación en una ciencia exacta basada no solo en la observación, sino también en la medición. La ley de conservación de la masa descubierta por Lavoisier fue seguida por una serie de nuevas leyes cuantitativas: leyes estequiométricas :
Basándose en la ley de las razones múltiples y la ley de la constancia de la composición, que no pueden explicarse sin recurrir al supuesto de la discreción de la materia, J. Dalton desarrolló su teoría atómica ( 1808 ). Dalton consideraba que el peso atómico (masa) era la característica más importante de un átomo de un elemento. El problema de determinar los pesos atómicos ha sido uno de los problemas teóricos más importantes de la química durante varias décadas.
El químico sueco J. Ya. Berzelius , quien determinó las masas atómicas de muchos elementos [26] , hizo una gran contribución al desarrollo del atomismo químico . En 1811-1818 , también desarrolló la teoría electroquímica de la afinidad, que explicaba la combinación de átomos sobre la base de la idea de la polaridad de los átomos y la electronegatividad [27] . En 1814, Berzelius introdujo un sistema de símbolos para los elementos químicos [28] , donde cada elemento se denotaba con una o dos letras del alfabeto latino ; Los símbolos de Berzelius coinciden en su mayoría con los modernos.
A. Avogadro desarrolló su teoría molecular, complementando orgánicamente la atomística de Dalton, pero sus puntos de vista no encontraron reconocimiento durante mucho tiempo.
Junto con los pesos atómicos, durante mucho tiempo en química hubo un sistema de "pesos equivalentes", que fue desarrollado por W. Wollaston y L. Gmelin . Para muchos químicos, los pesos equivalentes parecían más convenientes y precisos que los pesos atómicos, ya que se calculaban sin las suposiciones hechas por Dalton [29] . Sin embargo, para la química orgánica, el sistema de equivalentes resultó ser de poca utilidad, ya en la década de 1840. J. B. Dumas , Ch. Gerard y O. Laurent revivieron las ideas de Avogadro [30] .
La claridad final en la teoría atómico-molecular fue introducida por S. Cannizzaro [31] . La reforma de Cannizzaro, que recibió reconocimiento universal en el Congreso Internacional de Químicos de Karlsruhe ( 1860 ), puso fin al período, cuyo principal contenido fue el establecimiento de leyes cuantitativas. Las determinaciones de las masas atómicas de los elementos químicos, que fueron realizadas en la primera mitad de la década de 1860 por el químico belga J. S. Stas (quien finalmente aprobó la masa atómica relativa para el oxígeno de 16 (a. m.)), fueron consideradas las más precisas hasta finales del siglo XIX y descubrió la manera de organizar los elementos.
Este período se caracteriza por el rápido desarrollo de la ciencia: se crearon el sistema periódico de elementos , la teoría de la estructura química de las moléculas, la estereoquímica , la termodinámica química y la cinética química ; La química inorgánica aplicada y la síntesis orgánica lograron éxitos brillantes . En relación con el crecimiento del volumen de conocimiento sobre la materia y sus propiedades, comenzó la diferenciación de la química: la asignación de sus ramas separadas, adquiriendo las características de las ciencias independientes.
Una de las tareas más importantes de la química en la segunda mitad del siglo XIX fue la sistematización de los elementos químicos. La creación del Sistema Periódico fue el resultado de un largo proceso evolutivo que comenzó con la ley de las triadas propuesta por I. V. Döbereiner en 1829 [32] . La innegable relación entre las propiedades de los elementos y sus masas atómicas que reveló fue desarrollada por L. Gmelin, quien demostró que esta relación es mucho más complicada que las tríadas [33] . J. Dumas y M. von Pettenkofer propusieron sistemas diferenciales destinados a identificar patrones en el cambio en el peso atómico de los elementos, que fueron desarrollados por A. Strekker . A mediados de la década de 1860, W. Odling , A. E. Beguile de Chancourtois , J. Newlands y L. Meyer propusieron varias variantes de tablas [34] [35] [36] , en las que ya se traza claramente la periodicidad de las propiedades de los elementos. [37] [ 38] .
En 1869, D. I. Mendeleev publicó la primera versión de su Tabla Periódica y formuló la Ley Periódica de los Elementos Químicos [39] . Mendeleev no sólo afirmó la existencia de una relación entre los pesos atómicos y las propiedades de los elementos, sino que se tomó la libertad de predecir las propiedades de varios elementos que aún no habían sido descubiertos [40] [41] . Después de que las predicciones de Mendeleev fueran brillantemente confirmadas, la Ley Periódica comenzó a ser considerada una de las leyes fundamentales de la naturaleza [42] [43] .
Después del descubrimiento del fenómeno de la isomería ( J. Liebig y F. Wöhler , 1824 ), que es extremadamente común en química orgánica , se hizo evidente que las propiedades de una sustancia están determinadas no solo por su composición, sino también por el orden. de la conexión de los átomos y su disposición espacial.
La solución al problema de la estructura de las sustancias orgánicas se basó inicialmente en la idea de los radicales de Berzelius : grupos polares de átomos que pueden pasar sin cambiar de una sustancia a otra. La teoría de los radicales complejos propuesta por Liebig y Wöhler (1832) ganó rápidamente aceptación general. El descubrimiento del fenómeno de la metalepsia (J. B. Dumas, 1834 ), que no encajaba en las ideas electroquímicas de Berzelius, condujo al surgimiento de la teoría de los tipos de Dumas ( 1839 ). Creada por Ch. Gerard y O. Laurent, la nueva teoría de los tipos ( 1852 ) incluía tanto las ideas sobre los radicales complejos como las ideas de Dumas sobre los tipos de moléculas, reduciendo toda la variedad de compuestos orgánicos a tres o cuatro tipos.
La teoría de los tipos de Gerard-Laurent condujo a la creación de ideas sobre las unidades de afinidad de átomos y radicales, como resultado de lo cual apareció la teoría de la valencia ( F. A. Kekule von Stradonitz , 1857 ), que se convirtió en la base para la creación. de A. M. Butlerov de su teoría de la estructura química de las moléculas. Las ideas simples e ilustrativas de Kekule y Butlerov permitieron explicar muchos hechos experimentales relacionados con la isomería de los compuestos orgánicos y su reactividad. De gran importancia para el desarrollo de un sistema de fórmulas estructurales fue el establecimiento de la estructura cíclica de la molécula de benceno (Kekule, 1865 ) [44] .
Un paso importante en el desarrollo de la química estructural fue la creación de la estereoquímica , que describe la estructura espacial de las moléculas. En 1874, el químico holandés J. G. van't Hoff propuso la teoría del átomo de carbono asimétrico [45] [46] , que explicaba con éxito el fenómeno de la isomería óptica, descubierto en 1832 por Berzelius, y la existencia de los enantiómeros, descubierto en 1848 . por L. Pasteur [47] .
A lo largo de casi todo el siglo XIX, hubo demanda de conceptos estructurales, principalmente en química orgánica. Recién en 1893 A. Werner creó la teoría de la estructura de los compuestos complejos , que extendió estas ideas a los compuestos inorgánicos, ampliando significativamente el concepto de la valencia de los elementos [48] .
A mediados del siglo XIX , el área fronteriza de la ciencia comenzó a desarrollarse rápidamente: la química física . En la historiografía nacional de la ciencia, se cree que M. V. Lomonosov sentó las bases para ello , dando una definición e introduciendo el nombre mismo de esta disciplina en el tesauro científico [49] [50] . El tema de estudio de la química física eran los procesos químicos : la velocidad y la dirección de las reacciones, los fenómenos térmicos que los acompañan y la dependencia de estas características de las condiciones externas.
El estudio de los efectos térmicos de las reacciones fue iniciado por A. L. Lavoisier, quien, junto con P. S. Laplace , formuló la primera ley de la termoquímica. En 1840, G. I. Hess descubrió la ley básica de la termoquímica (" ley de Hess "). M. Berthelot y J. Thomsen en la década de 1860 formularon el "principio del trabajo máximo" ( principio de Berthelot-Thomsen ), que permitió prever la viabilidad fundamental de la interacción química.
El papel más importante en la creación de ideas sobre la afinidad química y el proceso químico lo desempeñaron los estudios termodinámicos de mediados del siglo XIX . El objeto de estudio de la termodinámica química fue, en primer lugar, el estado de equilibrio químico , descrito por primera vez por A. W. Williamson en 1850 y estudiado por G. Rose , R. V. Bunsen , A. E. St. Clair Deville , M. Berthelot y otros investigadores.
En 1867, K. M. Guldberg y P. Waage descubrieron la ley de acción de masas [51] . Representando el equilibrio de una reacción reversible como la igualdad de dos fuerzas de afinidad que actúan en direcciones opuestas, demostraron que la dirección de la reacción no está determinada por las masas de las sustancias (como supuso C. L. Berthollet a principios de siglo ), sino por el producto de las masas activas ( concentraciones ) de las sustancias que reaccionan. El tratamiento teórico del equilibrio químico fue realizado por J. W. Gibbs ( 1874-1878 ) , D. P. Konovalov ( 1881-1884 ) [52] y J. G. Van't Hoff (1884 ) . Van't Hoff también formuló el principio del equilibrio en movimiento, que luego fue generalizado por A. L. Le Chatelier y C. F. Brown . La creación de la doctrina del equilibrio químico se convirtió en uno de los principales logros de la química física del siglo XIX , que fue importante no solo para la química, sino para el conjunto de las ciencias naturales [53] .
En la década de 1850, los estudios sistemáticos de la velocidad de las reacciones químicas comenzaron con los trabajos de L.F. Wilhelmy [54] , que llevaron a la creación de las bases de la cinética formal en la década de 1880 (J. G. van't Hoff, W. Ostwald , S. A Arrhenius ). En la década de 1890, Ostwald también publicó una serie de obras clásicas sobre el estudio de los procesos catalíticos .
Un logro importante de la química física en el siglo XIX fue la creación de la doctrina de las soluciones . Las teorías físicas y químicas alternativas de las soluciones se desarrollaron a partir de las ideas de Berzelius, que consideraba las soluciones como mezclas mecánicas, durante cuya formación no actúan las fuerzas de la afinidad química, y Berthollet, que consideraba las soluciones como compuestos no estequiométricos . La teoría física ha avanzado significativamente en la descripción cuantitativa de algunas propiedades de las soluciones (la 1ª y 2ª leyes de F. M. Raoult , la ley osmótica de J. G. Van't Hoff, la teoría de la disociación electrolítica de S. A. Arrhenius) [55] [56] .
El descubrimiento del electrón por E. Wiechert [57] [58] y J. J. Thomson ( 1897 ) y la radiactividad por A. Becquerel ( 1896 ) se convirtieron en evidencia de la divisibilidad del átomo, cuya posibilidad comenzó a discutirse después de W. Prout planteó la hipótesis de protyle ( 1815 ). Ya a principios del siglo XX aparecieron los primeros modelos de la estructura del átomo: “cupcake” ( W. Thomson , 1902 y J.J. Thomson, 1904 ) [59] , planetario ( J.B. Perrin , 1901 y H. Nagaoka , Año 1903 ) [60] , "dinámico" ( F. Lenard , 1904) [61] . En 1911 , E. Rutherford , basado en experimentos sobre la dispersión de partículas α, propuso un modelo nuclear, que se convirtió en la base para crear un modelo clásico de la estructura del átomo ( N. Bohr , 1913 [62] y A. Sommerfeld , 1916 [63] ). Sobre esta base, N. Bohr en 1921 sentó las bases de la teoría formal del sistema periódico , que explicaba la periodicidad de las propiedades de los elementos mediante la repetición periódica de la estructura del nivel electrónico externo del átomo [64] [65 ] . Después de que V. Pauli formulara el principio de exclusión (1925) [66] y F. Hund propusiera reglas empíricas para llenar capas de electrones (1925-1927) [67] , se estableció de forma general la estructura electrónica de todos los elementos conocidos hasta ese momento.
Tras el descubrimiento de la divisibilidad del átomo y el establecimiento de la naturaleza del electrón como su componente, surgieron verdaderos requisitos previos para el desarrollo de las teorías del enlace químico. El primero fue el concepto de electrovalencia de R. Abegg ( 1904 ) [68] , basado en la idea de la afinidad de los átomos por un electrón. El modelo de Bohr-Sommerfeld, las ideas sobre los electrones de valencia ( J. Stark , 1915) [69] y la idea de la estabilidad especial de las capas de dos y ocho electrones de los átomos de gas inerte formaron la base de las teorías clásicas de los enlaces químicos. . W. Kossel ( 1916 ) [70] desarrolló la teoría del enlace heteropolar (iónico), y J. N. Lewis ( 1916 ) [71] e I. Langmuir ( 1919 ) [72] desarrollaron la teoría del enlace homeopolar (covalente) [73] [ 74] .
A finales de los años 20 y principios de los 30 del siglo XX , se formaron ideas fundamentalmente nuevas, de mecánica cuántica , sobre la estructura del átomo y la naturaleza del enlace químico.
Basado en la idea del físico francés L. de Broglie sobre la presencia de propiedades ondulatorias en las partículas materiales [75] , el físico austriaco E. Schrödinger en 1926 derivó la ecuación básica de la denominada. mecánica ondulatoria, que contiene la función de onda y permite determinar los posibles estados de un sistema cuántico y su cambio en el tiempo [76] . Algo antes, el físico alemán W. Heisenberg desarrolló su versión de la teoría cuántica del átomo en forma de mecánica matricial [77] .
El enfoque mecánico cuántico de la estructura del átomo ha llevado a la creación de nuevas teorías que explican la formación de enlaces entre átomos. Ya en 1927, W. G. Geitler y F. London comenzaron a desarrollar la teoría mecánica cuántica del enlace químico y realizaron un cálculo aproximado de la molécula de hidrógeno [78] . La extensión del método de Heitler-London a las moléculas poliatómicas condujo a la creación del método del enlace de valencia , que se creó en 1928-1931 . L. Pauling y J. K. Slater . La idea principal de este método es la suposición de que los orbitales atómicos conservan cierta individualidad durante la formación de una molécula. En 1928, Pauling propuso la teoría de la resonancia y la idea de la hibridación de los orbitales atómicos , y en 1932, un nuevo concepto cuantitativo de electronegatividad [79] [80] .
En 1929, F. Hund , R. S. Mulliken y J. E. Lennard-Jones sentaron las bases del método de los orbitales moleculares , basado en el concepto de la pérdida completa de la individualidad de los átomos combinados en una molécula. Hund también creó la clasificación moderna de enlaces químicos; en 1931, llegó a la conclusión de que hay dos tipos principales de enlaces químicos: un enlace simple o σ y un enlace π. E. Hückel extendió el método MO a los compuestos orgánicos, formulando en 1931 la regla de estabilidad aromática , que establece si una sustancia pertenece a la serie aromática [81] .
Gracias a la mecánica cuántica, para los años 30 del siglo XX , se aclaró básicamente el método de formación de un enlace entre átomos; además, en el marco del enfoque de la mecánica cuántica, la teoría de la periodicidad de Mendeleev recibió una correcta interpretación física. La creación de una base teórica fiable ha supuesto un aumento significativo de las posibilidades de predecir las propiedades de la materia. Una característica de la química en el siglo XX fue el uso generalizado de aparatos físicos y matemáticos y varios métodos de cálculo [64] .
Una auténtica revolución en la química fue la aparición en el siglo XX de un gran número de nuevos métodos analíticos, fundamentalmente físicos y fisicoquímicos ( análisis de difracción de rayos X , espectroscopia electrónica y vibratoria , magnetoquímica y espectrometría de masas , espectroscopia EPR y NMR , cromatografía , etc. .). Estos métodos brindaron nuevas oportunidades para estudiar la composición, estructura y reactividad de una sustancia.
Una característica distintiva de la química moderna se ha convertido en su estrecha interacción con otras ciencias naturales, como resultado de lo cual la bioquímica , la geoquímica y otras ramas han aparecido en la intersección de las ciencias. Simultáneamente con este proceso de integración, el proceso de diferenciación de la química misma avanzó intensamente. Aunque los límites entre las secciones de la química son bastante convencionales, la química coloidal y de coordinación , la química de los cristales y la electroquímica , la química de los compuestos macromoleculares y algunas otras secciones han adquirido las características de las ciencias independientes.
Una consecuencia natural de la mejora de la teoría química en el siglo XX fueron los nuevos éxitos en la química práctica: la síntesis catalítica de amoníaco , la producción de antibióticos sintéticos , materiales poliméricos , etc. Los éxitos de los químicos en la obtención de una sustancia con las propiedades deseadas, entre otros logros de la ciencia aplicada, a fines del siglo XX llevaron a cambios fundamentales en la vida de la humanidad.